近年来,随着炼铁装备水平的进步,高炉冷却系统、铜冷却壁制造水平得到大幅提高。但大中型高炉铜冷却壁寿命偏短的问题仍未得到解决，尤其是大型高炉铜冷却壁寿命普遍不超过10年,需要在一代炉役期间进行更换。铜冷却壁破损问题已成为高炉炼铁面对的共性问题。

沙钢2680m高炉自2004年投产以来,对炉型设计、铜冷却壁设计、操作制度等方面进行了深入研究和优化,铜冷却壁使用了两代炉役而无破损,成为国内寿命最长的铜冷却壁铜冷却壁应用简况世界上最早研制铜冷却壁的德国MANGHH公司与蒂森公司合作!-21,在汉堡4号高炉的炉身

下部试用了两块在轧制厚铜板上钻孔制造的铜冷却壁。经9年运行,铜冷却壁状态良好,测量铜材磨损量仅为0.3mm,而与其相邻的铸铁冷却壁都出现了大量的裂纹和严重的损伤。随着铜冷却壁技术的迅猛发展!-3],铜冷却壁已被广泛应用在炉腹、炉腰和炉身下部。然而,随着高炉服役时间的延长,加上高炉生产效率的提高,铜冷却壁寿命问题也逐步暴露出来,尤其是炉腰、炉腹铜冷却壁过早破损。

高炉炉腰、炉腹和炉身下部位于高热负荷区,受到高温煤气流和炉料下降的双重作用,冷却壁容易破损。铜具有耐磨性差、易变形等缺点,在高炉内需要依靠稳定的渣皮来实现长寿,若渣皮频繁脱落导致壁体热面裸露,铜冷却壁极易发生磨损。当铜冷却壁热面凸台消失、壁体变形后,渣皮更难稳定阴着。MustafaEsmer等[4]对世界上34座高炉的铜冷却壁进行了调研,发现其破损形式均为磨损,并提出了“炉腹磨损系数”的概念,用来指导高炉设计和探作。铜冷却壁破损问题具有普遍性,主要破损形式为热面上渣层剥落引起的机械磨损5。汤清华认为影响铜冷却壁寿命的主要因素,包括铜冷却壁长度、炉腹角、安装技巧、冷却比表面积和冷却水流速:以及壁体与镶嵌耐材的结合程度[6]

沙钢5800m'高炉铜冷却壁运行6年后出现破损,主要原因包括耐材、冷却壁的炉腹角不一致,炭质量下滑及边沿气流过度发展[-8。韶钢8号高炉开炉10年后出现漏水,炉况波动带来的热负荷频繁波动、冷却水量不足,以及氢病危害是导致铜冷却壁漏水的主要原因!”。肖志新等对武钢7号高炉铜冷却壁的破损进行了研究,在炉役前中期,异常炉况对炉腰渣皮形成的高强应力集中于壁体中部,导致渣皮因厚度和传热不均而脱落;在炉役中后期,壁体对渣皮的附着力下降,主要依靠炉腹和炉身中下部渣皮连接保持稳定!0]。HengbaoMA等对铜冷却壁渣皮进行了研究,结果表明渣中(A10,)含量增加有利于渣皮的形成[111。

随着机械制造技术的进步,铜冷却壁的设计、加工制造、冷却能力均得到大幅提高。铜冷却壁破损漏水后,虽然可采取压浆、穿管或通氮气等方式进行处理,但是破损部位的冷却能力大幅降低。由于铜冷却壁位于高热负荷区,一旦破损部位发生烧穿事故,须尽快停炉更换。而更换冷却壁周期较长,会造成高炉铁水产量损失,使企业的经济效益大幅减少。

沙钢2680m高炉是我国应用铜冷却壁较早的高炉,部分铜冷却壁从德国蒂森公司凤凰厂引进2004年以来,针对铜冷却壁的设计和使用,先后开展“中型高炉铜冷却壁破损调查及分析”“中型高炉铜冷却壁优化设计研究”“中型高炉长寿操作优化研究”“中型高炉炉缸活跃性研究”等课题进行深人研究,延长了铜冷却壁寿命。

2 沙钢高炉长寿技术特点

2.1 炉型设计

焦克新等!2]指出,现阶段我国高炉向矮胖型发展,炉身高度及炉腰高度减小,适应炉料的膨胀能力降低,可能是铜冷却壁在炉腰及炉腰炉腹交界部位发生破损的主要原因。因此,合理的炉腰体积占比是炉腰、炉腹铜冷却壁长寿的关键。大型高炉设计在高度上受到限制,只能偏向矮胖型发展,炉腰高度普遍偏小:而中型高炉可以充分发挥炉腰体积占比大的优势,通过增加炉腰高度,增大炉腰直径,减小炉腹角等措施,来扩大炉腰体积。

沙钢2680m高炉炉型设计参数见表1.其炉腰体积占比达到14%,远高于沙钢5800m高炉的9.85%。炉腰部位给予炉料充足的膨胀空间,减小了炉料膨胀对炉墙的应力。并且,炉腰高度达到2900mm,远高于国内外同级别高炉。耐材炉腹角和铜冷却壁炉腹角不同,耐材炉腹角为72°53'53"铜冷却壁炉腹角为81°51'10.8。耐材主要由喷涂料组成,开炉一段时间后会脱落,在长期生产过程中,以铜冷却壁炉腹角作为参考。

此外,2680m'高炉炉缸直径偏小,为10900mm，低于国内外同级别高炉。在相同的操作制度下,死焦堆的体积更小,炉缸、炉腹、炉腰等部位活跃区的占比更大,相比于矮胖型高炉来说,炉料膨胀空间较大,减轻了炉料膨胀对炉墙的应力,保障了铜冷却壁渣皮的稳定性。

2.2 炉身上部结构优化炉料进入高炉后,需要对其进行充分预热和干燥。一般要求边沿气流温度达到105℃以上,以快速脱除炉料中的水分。随着软水密闭循环冷却技术的发展,目前,高炉冷却水系统多采用一串到底的冷却方式,由于冷却水量不变,炉身上部内径及截面积相对较小,导致炉身上部的冷却强度偏高,且无法进行单独调控,容易造成边沿气流温度偏低,不利于炉料的干燥和预热。若通过装料制度发展边沿气流来提高煤气温度,不仅容易导致煤气利用率下降、燃料比升高,也不利于铜冷却壁渣皮的稳定。

图2 沙钢2680m高炉带侧凸台的铜冷却壁

操作制度优化2.4

2680m高炉炉身设计了5段铸铁冷却壁,其中9~11段冷却壁厚度为495mm,12、13段冷却壁厚度为230mm。炉身上部铸铁冷却壁厚度大幅减小(如图1所示),耐材厚度从40mm增加到305mm，这种设计方式减弱了炉身上部的导热性。因此,对于一串到底的冷却系统,即使炉身上部的冷却水量不变,但由于填料层增厚,炉身上部的冷却强度降低。炉体散失热量减少,有助于提高边沿气流温度使炉料得到充分干燥和预热,避免软熔带根部过低

2.3 铜冷却壁优化设计

安装铜冷却壁时,通常在圆周方向的铜冷却壁之间,预留不超过30mm的缝隙,用填料填充。虽然缝隙只有30mm,但是会对铜冷却壁区域周向的整体传热造成一定影响,形成热量传导的薄弱区2680m'高炉采用全覆盖式铜冷却壁设计方案,以减轻圆周方向上相邻两块铜冷却壁缝隙处的传热偏差。即在铜冷却壁两侧各设计一个凸台,半数铜冷却壁侧凸台偏冷面[如图2(a)所示1,半数铜冷却壁侧凸台偏热面,安装时冷、热面的凸台贴合在一起如图2(b)所示1,传热能力远高于填料,能大幅度提高铜冷却壁区域的整体导热能力。

(1)下部送风制度。2680m'高炉优化下部送风制度,调控炉缸活跃区占比,减小死焦堆体积,使炉料在熔化前有足够的膨胀空间。炉缸活跃区的占比和死焦堆的大小息息相关。死焦堆体积越大,活跃区占比越小,不但造成炉缸内铁水环流增强,还使得炉料膨胀空间减小。减小死焦堆体积、提高炉缸活跃区占比是铜冷却壁长寿的关键。提高炉缸活跃区占比,主要措施是增加回旋区深度、提高风动能需要结合高炉原燃料条件和实际操作状况,焦炭热态性能应与鼓风动能相匹配。虽然,近年来中型高炉的风机装备水平和炉顶压力大幅提升,但是,所用焦炭的反应后强度CSR一般为64%~68%,提高鼓风动能受到限制。

因此,沙钢2680m'高炉通过增加风口小套伸人炉内的长度,来增加回旋区深度,以提高炉缸活跃区占比,增加炉料膨胀空间。风口伸入炉内的长度达到490mm,远高于国内同级别高炉。

(2)上部装料制度。2680m'高炉优化上部装料制度,通过调控合理的煤气流分布,避免软熔带根部位置过低,使炉型收缩与炉料收缩相适应,实现铜冷却壁渣皮的稳定。炉腹是炉型开始收缩的部位,炉料在炉腹区域应达到收缩状态,否则炉料对于炉墙的压力大幅升高,会造成渣皮不稳定。高炉操作应避免软熔带根部位置过低,炉料在进入炉腹时绝大多数含铁料处于熔化状态,炉料收缩才能与炉型收

缩相匹配

2680m;高炉上部调剂以煤气流分布作为主要参考对象,以十字测温数据、煤气流分布指数、炉顶温度、热负荷、冷却壁温度及炉喉钢砖温度作为参考。具体参数为:I边沿气流温度控制在105~150℃,边沿气流指数值在0.6~1.0:②中心气流温度控制在400~700℃,中心气流指数Z值在12-20:③煤气流分布Z/W在18~22;④炉体热负荷控制在 40~80 CJ/h。

高炉边沿气流稳定是保证渣皮稳定的关键,边沿气流温度过高,容易引起热负荷升高,热损失增加,燃料消耗增大;边沿气流温度过低,炉料进入高炉后不能被充分干燥和预热,导致软熔带根部偏低影响渣皮的稳定性。因此,根据2680m’高炉的操作经验,边沿气流温度高于105℃,达到露点以上,能够维持渣皮稳定,避免热负荷波动。

因此,调剂上部装料制度,应特别注意矿石平台

的位置。若矿石平台到炉墙的距离过大,边沿气流偏强,容易引起热负荷波动和渣皮不稳定。若矿石平台到炉墙的距离过小,中心无矿区过大,则边沿气流偏弱、中心气流过强,煤气利用率下降,中心死焦堆消耗速度变慢,容易造成死焦堆肥大,炉缸活跃区变小,同样也会造成渣皮不稳定。根据2680m高炉操作经验,边沿矿石落点到炉墙的距离为300~500mm时,可以维持煤气流均匀和渣皮稳定。同时,中心加焦应避免中心无矿区过大,否则,不但会造成中心气流过强,影响燃料消耗,还会造成中心死焦堆偏大,减小炉缸活跃区占比,最终影响铜冷却壁寿命。

沙钢高炉铜冷却壁应用效果3

沙钢2680m'高炉铜冷却壁寿命普遍超过17年(见表2)部分达到23年(含利旧)且全炉役周期无喷涂、无破损,为高炉安全生产提供了坚实支撑2号、3号高炉停炉检修时铜冷却壁形貌见图3

沙钢2680m高炉设计及操作,遵从炉料膨胀收缩与炉型相适应的原则,通过优化炉型设计、铜冷却壁设计及操作制度等,铜冷却壁使用了两代炉役，且无破损。

(1)炉型设计采用合理的炉腰体积占比,在炉腰部位给予炉料充足的膨胀空间。根据沙钢多年的生产实践,合理的炉腰体积占比应在12%~16%。

(2)优化炉身上部结构,通过减少炉身上部铸铁冷却壁厚度,增加耐材厚度,对于一串到底的冷却系统,可降低炉身上部冷却强度,避免边沿气流温度过低影响炉料的干燥和预热。优化铜冷却壁设计壁体采用侧凸台,加强高炉周向传热的均匀性。

(3)优化操作制度,合理调剂上下部制度,增大炉缸活跃区占比,避免软熔带根部位置过低。